随着信息技术的快速发展,以通信网络为基础的现代通信技术已深入到人们生产生活中,保证信息的高速、安全传输已成为各国通信领域的重要研究目标。混沌光场因其类噪声的随机性及对初值条件敏感等非线性动力学特性,已经被广泛应用在保密通信、物理随机数产生等研究领域中。外腔反馈的半导体激光器作为典型的混沌动力学系统,可产生高维的混沌信号,为研究非线性效应和复杂的光子动力学提供了良好的平台。然而,外腔反馈会引入周期性的时延特征（Time-delay signature,TDS）。TDS会暴露与反馈外腔长度有关的信息,对保密通信的安全性造成威胁,同时在时域上出现弱周期性,降低了混沌信号的随机性和熵含量,影响物理随机数的生成质量。因此,研究TDS抑制和熵含量增加,获取高质量的混沌激光信号具有重要的意义。截止目前,已经报道了多种抑制混沌激光TDS的方案,主要包括两类:外部参数调谐和后处理。上述方案也是从混沌动力学中提取随机性的过程,混沌光场的随机起伏源于激光器系统内禀量子散粒噪声。在真实的混沌物理系统中通常存在多种初始噪声,其中量子散粒噪声为混沌激光系统提供一个随机的初始值,同时量子噪声的随机性会被混沌系统快速非线性地放大,生成随机起伏。而实际混沌系统对内禀量子噪声的非线性放大完全不同于理论上确定性混沌产生的类噪声起伏,因此揭示随机效应的起源、量子噪声对混沌激光动力学特性的影响成为亟待解决的问题之一。量子噪声是一种无限带宽的白噪声,且不同频率的量子模之间相互独立,目前可利用高量子效率的平衡零拍探测技术提取量子噪声,并且在实验上已实现了基于量子噪声实时产生速率达8.25Gbit/s的并行量子随机数产生。混沌激光的随机性和复杂度是其信息安全及密码学应用的基础。现今,已提出多种形式的熵被用于量化混沌激光的随机性,如香农熵、柯尔莫哥洛夫熵、排列熵,这些熵在量化混沌激光熵值的过程仍面临准确评估物理过程熵含量演化和判别混沌动力学过程是否由噪声主导等难题。熵含量作为物理随机性的量化标准,熵含量的变化描述了系统随机性产生及演化过程,熵源的熵含量越高,随机码发生器的安全性越高,鲁棒性越强,那么从原始数据中可提取的真随机性比例越大。因此,如何对物理熵源熵值实时量化和有效提高熵源熵含量也是亟待解决的问题之一。针对以上问题,本文研究的主要内容如下:1)理论分析和实验验证了使用量子噪声有效抑制混沌激光TDS的技术。理论上构建具有高斯白噪声的Lang-Kobayashi速率方程,模拟量子噪声注入后混沌激光动力学特性变化。实验上通过平衡零差测量得到真空态正交涨落的量子噪声,并利用反馈延迟时间处的自相关函数和归一化排列熵量化了系统的TDS。结果表明:与原始混沌相比,当量子噪声与混沌激光的带宽比为1:25时,混沌激光的TDS抑制比达94%,表明窄带量子噪声可以有效抑制宽带混沌激光TDS。进一步,数值分析和实验测量了量子噪声的强度和带宽对混沌信号TDS抑制的影响,实验与理论变化趋势一致,均表明增大量子噪声的带宽和强度可以有效抑制混沌激光信号的TDS。同时,混沌强度的概率统计分布得到了显著改善,与高斯随机分布吻合较好,即提高了混沌激光信号的随机性,揭示了混沌激光的随机性来源于随机量子噪声。2)利用外腔反馈的半导体激光器产生的混沌激光作为熵源,理论模拟和实验研究了不同强度和带宽的量子噪声注入对混沌激光熵含量的增强效果,并利用反馈时延τext、τext/2和τext/3处的排列熵均值量化混沌激光的复杂度,及相邻维度排列熵增Gd判别混沌噪声主导过程。测量了100MHz、300MHz、500MHz不同量子噪声带宽注入下混沌激光熵增随量子噪声强度的变化。结果表明,窄带量子噪声可有效提高宽带混沌激光的熵含量,强度15d Bm、带宽100MHz的量子噪声将3.8GHz带宽的混沌激光熵值增至0.998,随着量子噪声强度的增大,混沌激光熵增至最大的量子噪声带宽降低。另外,随着量子噪声强度的增加,熵增Gd均大于噪声主导阈值GdNt h r,且Gd随嵌入度d的增加而逐渐递增。表明混沌动力学过程由随机噪声主导,即得到了由随机噪声主导且熵含量增强的混沌激光输出。改进后的混沌激光在随机数产生及保密通信方面具有潜在的应用价值。